Las leyes que rigen la transformación de la energía. La termodinámica es la ciencia de la transformación de la energía. Se diferencia de la dinámica de Newton, teniendo en cuenta el concepto de temperatura, que está fuera del ámbito de la mecánica clásica. En la práctica, la termodinámica es útil para evaluar la eficiencia de los motores térmicos (dispositivos que transforman el calor en trabajo) y refrigeradores (dispositivos que utilizan fuentes de trabajo para transferir calor de un sistema caliente a más frío se hunde), y para la discusión de la espontaneidad de la química reacciones (su tendencia a producirse naturalmente) y el trabajo que se pueden utilizar para generar.
El tema de la termodinámica se basa en cuatro generalizaciones de la experiencia, que se llaman las leyes de la termodinámica. Cada ley encarna una limitación particular en las propiedades del mundo. La conexión entre la termodinámica fenomenológicas y las propiedades de las partículas constituyentes de un sistema se establece por la termodinámica estadística , también llamados mecánicos estadísticos. Termodinámica clásica consiste en una colección de relaciones matemáticas entre observables, y como tal, es independiente de cualquier modelo subyacente de la materia (en términos, por ejemplo, de átomos). Sin embargo, las interpretaciones en términos del comportamiento estadístico de los conjuntos grandes de partículas enriquece enormemente la comprensión de las relaciones establecidas por la termodinámica. Véase también Mecánica estadística.
Cero ley de la termodinámica
La ley cero de la termodinámica establece la existencia de una propiedad llamada temperatura. Esta ley se basa en la observación de que si A es un sistema en equilibrio térmico con un sistema B (es decir, ningún cambio en las propiedades de B tomar lugares cuando los dos están en contacto), y si el sistema B está en equilibrio térmico con un sistema C, entonces es invariablemente el caso de que A se encuentra en equilibrio con C si los dos sistemas se ponen en contacto mutuo. Esta ley sugiere que una escala numérica se puede establecer para la propiedad común, y si A, B, y C tienen los mismos valores numéricos de esta propiedad, entonces estarán en equilibrio térmico mutuo si se pusieron en contacto. Esta propiedad se llama ahora la temperatura. Véase también la temperatura .
Primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica establece la existencia de una propiedad llamada la energía interna de un sistema. También trae a la discusión del concepto de calor.
La primera ley se basa en la observación de que un cambio en el estado de un sistema puede ser provocada por una variedad de técnicas. En efecto, si la atención se limita a un sistema adiabático , una que está térmicamente aislado de su entorno, entonces el trabajo de JP Joule muestra que el mismo cambio de estado se produce por una cantidad dada de trabajo independientemente de la manera en la que el trabajo es hecho. Esta observación sugiere que, al igual que la altura a través del cual un alpinista sube se puede calcular a partir de la diferencia de altitudes independientemente de la ruta del escalador tarda entre dos puntos fijos, de modo que el trabajo, w , se puede calcular a partir de la diferencia entre el final y propiedades iniciales de un sistema. El bien en cuestión se denomina energía interna, U . Sin embargo, si la transformación del sistema se toma a lo largo de un camino que no es adiabático, de una cantidad diferente de trabajo puede ser requerida. La diferencia entre el trabajo de cambio adiabático y el trabajo de no adiabática cambio se llama calor, q . En general,
1. Eq. (1) se cumple, donde Δ U es el cambio en la energía interna entre los estados final e inicial del sistema. Véase también el proceso adiabático , la energía , calor .
La implicación de este argumento es que hay dos modos de transferencia de energía entre un sistema y sus alrededores. Uno es mediante el trabajo, y el otro es calentando el sistema. Trabajo y calor son los modos de transferencia de energía. No son formas de energía en su propio derecho. El trabajo es un modo de transferencia que es equivalente (si no es el caso en la realidad) para elevar un peso en los alrededores. El calor es un modo de transferencia que surge de una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores. Lo que comúnmente se denomina calor es más correctamente llamado el movimiento térmico de las moléculas de un sistema.
La primera ley de la termodinámica establece que la energía interna de un sistema aislado se conserva. Esto es, para un sistema en el que la energía no puede ser transferido por la agencia de trabajo o de calor, la energía interna permanece constante. Esta ley es un primo de la ley de la conservación de la energía en mecánica, pero es más rico, ya que implica la equivalencia de calor y trabajo para lograr cambios en la energía interna de un sistema (y el calor es ajeno a la mecánica clásica) .
Segunda ley de la termodinámica
La segunda ley de la termodinámica se ocupa de la distinción entre los procesos espontáneos y no espontánea. Un proceso es espontáneo si se produce sin necesidad de ser conducido. En otras palabras, los cambios espontáneos son cambios naturales, como el enfriamiento del metal caliente y la expansión libre de un gas. Muchos cambios concebibles ocurrir con la conservación de la energía a nivel mundial, y por lo tanto no están en conflicto con la primera ley, pero muchos de esos cambios resultan ser no espontánea, y por lo tanto sólo se producen si se dejan llevar.
La segunda ley fue formulada por Lord Kelvin y Clausius por R. de una manera relacionada con la observación: "no cíclico motor funciona sin un disipador de calor" y "el calor no se transfiere espontáneamente de un lugar fresco a un cuerpo más caliente", respectivamente (ver ilustración ). Los dos estados son lógicamente equivalentes en el sentido de que el fallo de uno implica el fracaso de la otra. Sin embargo, tanto se puede absorber en una sola instrucción: la entropía de un sistema aislado aumenta cuando se produce un cambio espontáneo. La propiedad de la entropía se introduce a formular la ley cuantitativamente exactamente de la misma manera que las propiedades de la temperatura y la energía se han introducido para hacer que los de orden cero y primero leyes cuantitativas y precisas.
Representación de las declaraciones de la segunda ley de la termodinámica de ( un ) Lord Kelvin y ( b ) R. Clausius. En cada caso, la ley establece que el dispositivo mostrado no puede funcionar como se muestra.
La entropía, S , de un sistema es una medida de la calidad de la energía que se almacena. La definición formal se basa en
2. Eq. (2), donde dS es el cambio de entropía de un sistema, dq es la energía transferida al sistema en forma de calor, T es la temperatura, y el subíndice "reversible" significa que la transferencia debe ser realizada reversible (sin producción de entropía que no sea en el sistema). Cuando una cantidad determinada de energía se transfiere en forma de calor, el cambio de entropía es grande si se produce la transferencia a una temperatura baja y pequeña si la temperatura es alta.
Esta definición de la entropía es iluminado por L. interpretación de Boltzmann de la entropía como una medida del desorden de un sistema. La conexión se puede apreciar por lo menos cualitativamente observando que si la temperatura es alta, la transferencia de una cantidad dada de energía en forma de calor estimula un trastorno adicional relativamente pequeño en el movimiento térmico de las moléculas de un sistema, en cambio, si la temperatura es bajo, la misma transferencia podría estimular un trastorno adicional relativamente grande.
La iluminación de la segunda ley provocada por la asociación de la entropía y el desorden es que en un sistema aislado los únicos cambios que pueden ocurrir son aquellos en los que no hay un aumento en orden. Así, la energía y la materia tiende a dispersar en el trastorno (es decir, la entropía tiende a aumentar), y esta dispersión es la fuerza impulsora de cambio espontáneo. Véase también la entropía ; Tiempo, de flecha .
Tercera ley de la termodinámica
La importancia práctica de la segunda ley es que limita el grado en que puede ser el interior de la energía extraída de un sistema como el trabajo. Para que un proceso de generación de trabajo, que debe ser espontánea. Para que el proceso sea espontáneo, es necesario descartar algo de energía en forma de calor en un sumidero de temperatura más baja. En otras palabras, la naturaleza en efecto impone un impuesto sobre la extracción de energía en forma de trabajo. Por tanto, existe un límite fundamental en la eficiencia de los motores que convierten el calor en trabajo.
El límite cuantitativo a la eficiencia, ε, que se define como el trabajo producido dividido por el calor absorbido de la fuente de calor, se obtuvo por primera vez por S. Carnot. Se encontró que, independientemente de los detalles de la construcción del motor, la eficiencia máxima (es decir, el trabajo obtenido después del pago del impuesto mínimo permisible para asegurar espontaneidad) está dada por la ecuación. (3),
3. donde T caliente es la temperatura de la fuente caliente y T fría es la temperatura del disipador de frío. Las mayores eficiencias se obtienen con los sumideros más fríos y más calientes de las fuentes, y estos son los requisitos de diseño de centrales eléctricas modernas. Véase también ciclo de Carnot .
Eficiencia perfecta (ε = 1) se obtendría si el disipador de frío eran en el cero absoluto ( T frío = 0). Sin embargo, la tercera ley de la termodinámica , que es otro resumen de las observaciones, se afirma que el cero absoluto es inalcanzable en un número finito de pasos para cualquier proceso. Por lo tanto, el calor no puede ser convertido completamente en el trabajo en un motor térmico. La implicación de la tercera ley de esta forma es que la variación de entropía que acompaña todo proceso tiende a cero cuando la temperatura se aproxima a cero. Eso implica, a su vez implica que todas las sustancias tienden hacia la misma entropía que la temperatura se reduce a cero. Por tanto, es razonable para tomar la entropía de todos perfectos cristalinas sustancias (sustancias en las que no hay residual trastorno derivado de la ubicación de los átomos) como igual a cero. Una declaración común por debajo de la tercera ley es, pues, que todas las sustancias cristalinas perfectas tienen cero entropía en el cero absoluto ( T = 0). Esta declaración es consistente con la interpretación de la entropía como una medida del desorden, ya que en el cero absoluto todo movimiento térmico ha sido apagada. Véase también cero absoluto .